基于 UWB 的人员精确定位系统解决方案2019 年12 月一、系统介绍“矿山安全避险六大系统”中人员定位系统解决方案是人员的硬件设备和配套软件平台，其主要特点是将目前国际上最先进的UWB定位技术及数据采集、无线通讯功能集成到同一个分站设备中，实现了人员定位、通讯联络两网合一，同时通过光纤统一传输至数据中心，后台软件将所有数据分别解析成各个系统能识别的数据并由各个子系统呈现，实现矿山井下高精度定位、无线网络覆盖，为监管单位及企业了解、管理和调度井下的人员、设备及资源提供了可视化操作界面、强大的数据支撑、分析管理和预警处理平台。
为加强日常生产调度、安全监管与应急救援等，保证矿井安全生产和提高工作效率，煤矿井下应安装一套人员定位管理系统。
以实时了解井下作业人员的流动情况、了解当前井下人员的准确数量及分布情况。
另外，作为矿井人员考勤系统，统计与考核下井人员的出勤情况，并能生成相关报表，供管理使用。
1.1、定位技术发展历程定位技术用于获取点空间信息或监测其变化，并辅助地理信息系统用于空间数据的显示、分析和处理。
定位技术应用于矿山行业已经经历了 3 次重大的发展，分别如下：1）基于 RFID 的考勤技术：该项定位技术在工矿行业早期市场占有率较大，但受技术体制的限制，仅仅能实现特定区域的“出入”考勤功能。
2）基于 ZigBee/Wi-Fi 场强式的区域定位技术：该项定位技术能实现一定范围及一定精度的定位，但因为无线射频信号的场强大小易受环境、巷道条件、遮挡以及设备的一致性等因素影响，造成了分站接收的标识卡场强值误差较大，所以定位精度较差，实际使用效果一般。
3）基于 UWB 的飞行时间的精确定位技术：采用基于时间测量机制的定位算法，测量精度将达到 1cm，而实际使用中，由于前端多路径到达波检测、时间偏差等原因影响，误差可以控制在 20cm 左右；在测量距离上，只要信号到达，就可以利用信号测距，考虑井下设备发射功耗限制，一般覆盖半径设计为 200m 左右。
1.2、UWB 精确定位技术原理1）UWB 是什么？UWB，就是 Ultra Wideband，超宽带技术。
它源于 20 世纪 60 年代兴起的脉冲通信技术。
UWB 不同于传统的通信技术，它通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来实现无线传输的。
由于脉冲时间宽度极短，因此可以实现频谱上的超宽带：使用的带宽在 500MHz 以上。
超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。
因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。
2）UWB 的测距原理无线定位测量方法是指分析接收到的无线电波信号的特征参数，然后根据特定算法计算被测对象的位置（二维/三维坐标：经度、纬度、高度）。
常用的室内无线定位测量方法如下：基于 AOA（Angle of Arriva，到达角度定位）的定位算法；基于 TOA（Time of Arriva，到达时间定位）的定位算法；基于 TDOA（Time Difference of Arriva，到达时间差定位）的定位算法；基于 RSS（Received Signal Strength，接收信号强度定位）的定位算法。
基于 TW-TOF（two way-time of flight，双向飞行时间）的定位算法。
1.3、基于 UWB 的精确定位系统是我公司的新一代定位技术架构，采用以宽带、高速的以太网为传输通道，并将常用的矿山硬件接口集成设计为功能化模块，辅以网络管理、在线编程和远程控制方式进行统一的设备监测、网络传输和自动控制应用。
在此架构上的人员精确定位系统选用 UWB 定位技术，采用 TW-TOF 定位算法，实时计算出人员位置信息，结合二维 GIS 的展现，实现目标的精确定位（精度可达20cm）、实时人员监控、轨迹跟踪、求救报警、紧急撤离、考勤管理等功能。
图 1 定位系统应用场景示意1.4、设计标准及规范《煤矿安全规程》最新版《GB3836-2000 爆炸性气体环境用防爆电气设备标准》《AQ6210-2007 煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》《AQ1048-2007 煤矿井下作业人员管理系统使用与管理规范》《煤矿监控系统总体设计规范》《煤矿监控系统中心站软件开发规范》《矿用分站》（MT/T 1005）《矿用信息传输接口》（MT/T 1007）《煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求》MT209-90《煤矿通信、检测、控制用电工电子产品基本试验方法》MT210-1990《煤矿用信息传输装置》MT/T899-20001.5、精确定位系统价值1）让调度指挥中心能真正及时动态掌握井下人员和设备的分布及作业情况，进行精确人员定位，进一步提高人员定位系统的先进性和技术进步程度。
2）发生紧急状况时，就算造成通讯中断，也能知道每个人的通讯中断时的具体真实位置；为矿井的各类应急救援提供有力的技术辅助保障。
3）能真正反映出人员的活动状况，为建设大型二三维一体化矿山服务平台打下良好的基础。
4）对于未来基于井下人员位置的地理信息精细化服务系统建设，提供基础技术支撑。
二、系统设计井下精确人员定位系统采用飞行时间运算技术(TOF)、数据处理技术和 GIS 地理信息系统、GUI 图形等技术手段，主要用来及时、准确地将井下各区域人员、机车的动态情况反映到地面计算机系统，使管理人员能从地面调度中心实时统计井下人员、机车数量和分布情况，随时掌握下井人员、机车的分布和运动轨迹，便于进行更加合理的调度管理。
2.1、系统设计系统设计遵循物联网架构设计，分为感知层、网络层、应用层。
1）感知层主要实现定位卡的信息采集，由定位分站和定位卡组成。
2）网络层网络层将汇聚的终端设备信息由工业以太网进行网络传输和数据交互，根据现场业务应用特点选用百兆/千兆、五类线/光纤等。
主要由防爆交换机、综合通信分站及地面交换机组成。
3）应用层采用第三代 UWB 飞行时间运算技术(TOF)、数据处理技术和 GIS 地理信息系统、GUI 图形等技术手段，主要用来及时、准确地将矿井各区域人员的动态情况反映到调度中心，使管理人员能从调度中心实时统计作业人员数量和分布情况，随时掌握人员的分布和运动轨迹，便于进行更加合理的生产调度和安全管理。
图 2 人员定位系统设计示意图2.2、系统组成1）地面机房部署安装定位服务器和管理工作站，通过机房交换机与井下传输平台相连。
其中服务器要具备双机热备功能，切换时间不大于 30s。
2)在井筒（或斜井）出入口位置安装刷卡装置和虹膜考勤机（或人脸识别、指纹考勤等）实现人员出入井的身份认证和唯一性考勤管理。
井口考勤区域还应安装 LED 屏，主要实现入井人员信息实时显示功能，选用单红 LED 屏。
3）根据矿山设计巷道情况安装定位分站及综合通信分站，实现井下主要行人巷道、重点硐室及工作面等位置的定位信号全覆盖。
为下井人员配发矿用人员标识卡，并与人员身份信息和生理特征信息绑定。
2.3、精确定位算法设计精确定位算法包括两大部分：底层硬件的定位算法与上层软件对定位数据的处理与展现。
1）底层采用 TOF 定位原理TOF（Time Of Flight）通过测量定位标识卡到基站之间无线信号的传播延迟时间 Tprop，再根据电磁波在空气中传播的速度 c，通过计算传播延迟时间Tprop 乘以电磁波在空气中传播的速度 c，得出定位识别卡到基站的距离。
在 TOF 测距时，基站向定位卡发起定位，定位过程如下图所示：图 3 精确定位过程示意图A 节点（定位基站）测量从发出数据包到接收B 节点（定位卡、定位标签）确认时间记为 TROUND,A；B 节点测量从收到 A 节点数据包到 B 节点回应确认消息的时间，记为 TREPLAY,B。
数据包在飞行中度过的往返时间，记为 TROUND,AB。
则信息在空中飞行时间Tprop 等于TROUND,AB 往返时间的一般，即下面公式所示：Tprop = 0.5 × TROUND,AB= 0.5 ×（TROUND,A-TREPLAY,B）当计算出Tprop 后，根据D= T c 可以计算出定位卡到基站之间的距离。
( T 即Tprop，c 代表光速，为3.0×108 MS-1 )2）上层应用软件对定位数据的处理与展现。
对于井下巷道的精确定位（可看成是一维系统），两两配对的定位基站作为基本拓扑单元完成测距和方位判别。
一个完整的井下巷道精确定位需求，需要几十甚至上百的定位基站方可以完成信号覆盖，实现全局或重点区域局部连续的精确定位。
a)数据预处理：对井下的环境，TOF 定位算法可能产生折射、绕射等情况，所以对定位数据进行预处理，剔除失真、错误的数据。
系统利用历史数据，考虑人员、机车行走速度等限制，引入滤波、限幅的处理方法，使定位数据接近真实值，确保定位精度达到要求。
b)拓扑关系：定义每个定位分站是定位网络的拓扑节点，采用节点间连通性属性描述网络拓扑，并建立节点相邻关系表信息。
根据节点相邻关系表，能够获取到分站的配对关系和数量，完成对目标标识卡的距离和方位判别。
c)标量化拓扑测距判别模型需要做的就是将标识卡对应的距离和方位信息传递给矢量化几何地理匹配计算模型，进行与巷道空间坐标对应的真实位置计算和显示。
标量化拓扑测距判别模型中的网络拓扑描述信息可以有多种原始输入方式。
工程上最简单的做法，可以从分站之间的间隔距离定义关系中自动转换获得，从而使得应用系统具有智能学习能力，降低工程部署的技术条件和要求。
2.4、基于 GIS 的人员定位系统设计地理信息系统（GIS），对整个或部分矿区地面及井下巷道空间的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。
应用于人员定位系统主要包括二维和三维两种。
其中，二维 GIS 多半由矿山 CAD 地图转换而来，直观呈现矿山巷道的二维信息。
人员定位系统以此为“底图”，在其上展现分站、人员及其他设备信息，并动态显示人员分布和历史轨迹情况。
三维 GIS 需要根据矿山实际情况进行建模，包括地面和井下两部分，并结合掘进、采矿、运输、通风、供电及供排水等生产情况辅以数据采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述。
三维 GIS 是一个独立的系统，人员定位系统作为一个特定数据结合到三维 GIS 系统应用中。
矿山根据实际情况进行选择建设二维或三维 GIS。
2.5、入井唯一性检测及考勤方案入井唯一性检测及考勤方案主要是通过将出入井虹膜识别数据与定位系统标识卡数据进行无缝对接及联动处理，实现入井唯一性监检测及考勤功能，避免一人多卡、不带卡下井等现象发生。
